(57)【要約】【課題】  窒化アルミニウムナノチューブの外壁と内壁に炭素膜を成長させた、新規で、オプトエレクトロニクス、電界放出材料などの分野への応用が期待される、外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブとその製造方法を提供すること。【解決手段】  アルミナ粉末とカーボンナノチューブの混合物を、不活性ガス雰囲気中で1450〜1600℃に0.4〜１時間加熱した後、不活性ガスをアンモニアガスに切り替え、引き続き1300〜1600℃に0.5〜1.2時間加熱する。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウムナノチューブの外壁と内壁がともに炭素膜で覆われ、外径が４５〜５０ナノメートル、炭素膜の厚さが２〜３ナノメートル、壁の厚さが１０〜１５ナノメートルであることを特徴とする外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブ。
【請求項２】
アルミナ粉末とカーボンナノチューブの混合物を不活性ガス気流中で加熱した後、不活性ガスをアンモニアガスに切り替えて引き続き加熱することを特徴とする外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法。
【請求項３】
アルミナ粉末とカーボンナノチューブの重量比が４：１〜３：１の範囲である請求項２記載の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法。
【請求項４】
不活性ガス気流中、1450〜1600℃の範囲の温度で加熱する請求項２または３記載の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法。
【請求項５】
不活性ガス気流中で0.4〜１時間加熱する請求項４記載の外壁および内壁が炭素膜で覆
われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法。
【請求項６】
アンモニアガス気流中、1300〜1600℃の範囲の温度で加熱する請求項２ないし５いずれか１項に記載の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法。
【請求項７】
アンモニアガス気流中で0.5〜1.2時間加熱する請求項６記載の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法。
【請求項８】
不活性ガスの流量が８０〜150sccmの範囲である請求項２ないし７いずれか１項に記載
の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法。
【請求項９】
アンモニアガスの流量が150〜250sccmの範囲である請求項２ないし８いずれか１項に記載の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一次元の窒化アルミニウムナノワイヤー（たとえば、非特許文献１〜３参照）や窒化アルミニウムナノチューブ（たとえば、非特許文献４、５参照）を製造する方法はこれまでに知られている。このうち、窒化アルミニウムナノチューブは、アルミニウムをターゲット材とするアーク放電法やアルミニウム粉をアンモニアと反応させる方法で製造されている。
【非特許文献１】Y.Zhang外,ケミストリー・オブ・マテリアルズ(Chem.Mater.)，2001年，第１３巻，ｐ．3899
【非特許文献２】C.Xu外,フィジカ・スタツス・ソリディＡ(Phys.Stat.Sol.A)，2003年，第198巻，ｐ．329
【非特許文献３】X.P.Hao外,ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース(J.Cryst.Growth)，2002年，第242巻，ｐ．229
【非特許文献４】V.N.Tondare外,アプライド・フィジックス・レターズ(Appl.Phys.Lett.)，2002年，第80巻，ｐ．4813
【非特許文献５】Q.Wu外,ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサイエティ(J.Am.Chem.Soc.)，2003年，第125巻，ｐ．10176
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この出願の発明は、窒化アルミニウムナノチューブの外壁と内壁に炭素膜を成長させた、新規で、オプトエレクトロニクス、電界放出材料などの分野への応用が期待される、外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブとその製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、窒化アルミニウムナノチューブの外壁と内壁がともに炭素膜で覆われ、外径が４５〜５０ナノメートル、炭素膜の厚さが２〜３ナノメートル、壁の厚さが１０〜１５ナノメートルであることを特徴とする外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブを提供する。
【０００５】
この出願の発明は、第２には、アルミナ粉末とカーボンナノチューブの混合物を不活性ガス気流中で加熱した後、不活性ガスをアンモニアガスに切り替えて引き続き加熱することを特徴とする外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法を提供する。
【０００６】
この出願の発明は、第３には、上記第２の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法において、アルミナ粉末とカーボンナノチューブの重量比が４：１〜３：１の範囲である外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法を提供する。
【０００７】
この出願の発明は、第４には、上記第２または第３の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法において、不活性ガス気流中、1450〜1600℃
の範囲の温度で加熱する窒化アルミニウムナノチューブの製造方法を提供する。
【０００８】
この出願の発明は、第５には、上記第４の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法において、不活性ガス気流中で0.4〜１時間加熱する窒
化アルミニウムナノチューブの製造方法を提供する。
【０００９】
この出願の発明は、第６には、上記第２ないし第５のいずれか１つの外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法において、アンモニアガス気流中、1300〜1600℃の範囲の温度で加熱する窒化アルミニウムナノチューブの製造方法を提供する。
【００１０】
この出願の発明は、第７には、上記第６の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法において、アンモニアガス気流中で0.5〜1.2時間加熱する窒化アルミニウムナノチューブの製造方法を提供する。
【００１１】
この出願の発明は、第８には、上記第２ないし第７いずれか１つの外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法において、不活性ガスの流量が８０〜150sccmの範囲である窒化アルミニウムナノチューブの製造方法を提供する。
【００１２】
この出願の発明は、第９には、上記第２ないし第８いずれか１つの外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造方法において、アンモニアガスの流量が150〜250sccmの範囲である窒化アルミニウムナノチューブの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
この出願の発明によれば、窒化アルミニウムナノチューブの外壁と内壁に炭素膜を成長させた、新規で、オプトエレクトロニクス、電界放出材料などの分野への応用が期待される、外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この出願の発明の外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブは、窒化アルミニウムナノチューブの外壁と内壁がともに炭素膜で覆われ、外径が４５〜５０ナノメートル、炭素膜の厚さが２〜３ナノメートル、壁の厚さが１０〜１５ナノメートルのものである。
【００１５】
この外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブは、アルミナ粉末とカーボンナノチューブの混合物を不活性ガス気流中で加熱した後、不活性ガスをアンモニアガスに切り替えて引き続き加熱することにより製造される。
【００１６】
具体的には、アルミナ粉末とカーボンナノチューブの混合物をグラファイトるつぼに入れ、このグラファイトるつぼを縦型高周波誘導加熱炉の中に配置し、２〜３Torrに減圧した後、アルゴンガスなどの不活性ガスを流しながら、るつぼの内容物を加熱する。この後、不活性ガスをアンモニアガスに切り替え、引き続き加熱する。この一連の加熱により、グラファイトるつぼの内壁には黒色のウール状物質が堆積する。この黒色のウール状物質が、外径４５〜５０ナノメートル、炭素膜の厚さ２〜３ナノメートル、壁の厚さ１０〜１５ナノメートルの外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブである。
【００１７】
以上の外壁および内壁が炭素幕で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの製造において、この出願の発明では、アルミナ粉末とカーボンナノチューブの重量比は４：１〜３：１の範囲が好ましい。アルミナ粉末が上記範囲より多いと、アルミナ粉末の一部が還元さ
れずに未反応のまま残存することになる。アルミナ粉末が上記範囲より少ないと、未反応の炭素が生成物中に混入する。
【００１８】
アルゴンガスなどの不活性ガスの流量は、８０〜150sccmの範囲が好ましい。150sccmで十分に不活性雰囲気が保たれる。８０sccm未満では、不活性雰囲気を保持するのに十分ではない。不活性ガス気流中における加熱温度は1450〜1600℃の範囲が好ましい。1600℃で十分にアルミナの還元反応が進行する。1450℃未満では反応が十分に進行しない。不活性ガス気流中での加熱時間は0.4〜１時間の範囲が好ましい。１時間でアルミナの還元反応
は十分に進行する。0.4時間未満の加熱時間では反応が十分に完結しない。
【００１９】
アンモニアガスの流量は150〜250sccmの範囲が好ましい。250sccmを超える流量では、
窒化アルミニウムナノチューブの形成と成長が非平衡状態となり、成長後の窒化アルミニウムナノチューブ中に結晶欠陥を生じる。150sccmより流量が少ないと、アンモニア蒸気
の量が十分でないため窒化アルミニウムナノチューブの形成と成長が十分に行われない。アンモニアガス気流中での加熱温度は1300〜1600℃の範囲が好ましい。1600℃で最終生成物が十分に形成される。1300℃より温度が低いと、窒化アルミニウムの形成のための反応速度および炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブの結晶成長速度が遅くなる。アンモニア気流中での加熱時間は0.5〜1.2時間の範囲が好ましい。1.2時間で最終の複合
ナノチューブの形成と成長が十分に進行する。0.5時間未満では複合ナノチューブの成長
が完結しない。
【実施例】
【００２０】
和光純薬工業（株）製のアルミナ粉末（純度99.9%）３ｇと既知の方法（Cheng C.Tang,et al.;Carbon， 2002年，第４０巻、ｐ．2497〜2502に記載）で作製したカーボンナノチューブ（長さ数マイクロメートル、直径４０〜５５ナノメートル）0.5ｇの混合物をグラ
ファイトるつぼに入れた。このグラファイトるつぼを縦型高周波誘導加熱炉の中央部に配置し、縦型高周波誘導加熱炉の内部を２〜３Torrに減圧した後、アルゴンガスを100sccm
の流量で流しながらるつぼの内容物を1600℃に1時間加熱した。その後、アルゴンガスを
アンモニアガスに切り替え、流量200sccmで流しながら1600℃に1時間加熱した。グラファイトるつぼの内壁に黒色のウール状物質が0.4ｇ堆積した。
【００２１】
図１に、黒色堆積物のＸ線回折のパターンを示した。黒色堆積物は、格子定数がａ＝3.114Å、ｃ＝4.986Åである六方晶系の窒化アルミニウムであることが確認された。
【００２２】
図２に、黒色堆積物の低倍率透過型電子顕微鏡像の写真を示した。長さ数マイクロメートル以上で、外径４５〜５０ナノメートル、壁の厚さ１３ナノメートルのナノチューブが形成されているのが分かる。
【００２３】
図３に、黒色堆積物の高分解能透過型電子顕微鏡像の写真を示した。この写真からチューブの外壁と内壁に２〜３ナノメートルの薄い層が形成されていることが分かる。
【００２４】
図４に、黒色堆積物のＸ線エネルギー拡散スペクトルを示した。化学組成は、アルミニウム48.1atom％、窒素46.3atom％、炭素4.6atom％、酸素１atom％であった。アルミニウ
ムと窒素の原子比は１：0.97であり、化学量論組成の窒化アルミニウムであることが確認された。検出された4.6atom％の炭素が、ナノチューブの外壁と内壁の薄い膜の層に相当
する。
【００２５】
図５に、励起光源として325nmのＨｅ−Ｃｄレーザーを用いて測定した黒色堆積物の室
温におけるフォトルミネッセンススペクトルを示した。350nmから550nmまでの発光バンドを有し、中心バンドが412nmである青色発光を示す。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、新規な外壁および内壁が炭素膜で覆われた窒化アルミニウムナノチューブが実現され、このナノチューブは、オプトエレクトロニクス、電界放出材料などの分野への応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例で得られた黒色堆積物のＸ線回折のパターンである。
【図２】実施例で得られた黒色堆積物の低倍率透過型電子顕微鏡像の写真である。
【図３】実施例で得られた黒色堆積物の高分解能透過型電子顕微鏡像の写真である。
【図４】実施例で得られた黒色堆積物のＸ線エネルギー拡散スペクトルの図である。
【図５】実施例で得られた黒色堆積物の室温におけるフォトルミネッセンススペクトルの図である。
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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